1961-2019年松嫩平原盐碱地区域水稻生长季气候资源的时空变化特征分析

姜树坤 王立志 杨贤莉 张喜娟刘凯 迟力勇 李锐 来永才

（1国家耐盐碱水稻技术创新中心东北分中心，150086，黑龙江哈尔滨；2黑龙江省农业科学院耕作栽培研究所/黑龙江省寒地作物生理生态重点实验室/黑龙江省农作物低温冷害工程技术研究中心，150086，黑龙江哈尔滨）

松嫩平原是我国重要的粮食产区之一，但其西部区域存在大面积的盐碱化土壤，种稻是改良这些盐碱地的重要技术手段[1]。据统计[2]，松嫩平原还有开发41.33万hm2（620万亩）盐碱地水稻面积的潜力，充分开发利用这一区域，对于进一步保障国家粮食安全具有重要的潜在战略价值。农业生产是一个对自然条件，尤其是气候条件依赖程度很强的过程，气候资源变化必然对其产生重大影响。近年来，全球气候变化给农业生产和人类生活带来了巨大影响。目前，对全国及东北三省的温度[3]、降水[4]、热量[5]及其他气候要素变化规律[6]等相关领域已进行很多研究，但针对松嫩平原盐碱地区域的农业气候资源变化方面的研究鲜有报道。为此，本研究基于1961-2019年松嫩平原盐碱地区域13个气象站（吉林省7个，黑龙江省6个）的地面逐日观测资料，分析了该区农业气候资源的变化趋势和特征，为松嫩平原盐碱地种稻改良研究和决策制定提供参考依据。

1 研究资料与方法

1.1 研究区域

松嫩平原盐碱化地区是世界三大片苏打盐碱土集中分布的区域之一，主要分布在松嫩平原的中西部，面积约300万hm2，被嫩江和松花江分割成南北两大区，包括以吉林省镇赉、大安、乾安、前郭、长岭和通榆等县市为集中的南部区域和以黑龙江省泰来、杜蒙、大庆、安达、肇源、肇东、兰西和林甸等市县为集中的北部区域。该区域地势平坦，光照充足，土壤有机质丰富，水热资源优越，只是土壤盐碱化，有害盐分主要以碳酸钠和碳酸氢钠为主，pH多在8.5～10.5，现阶段该区域的主要农作物是玉米和水稻。

1.2 研究资料

本研究所用气象数据来自中国气象数据网（http://data.cma.cn/）的地面气候资料日值数据集（V3.0），包括研究区1961-2019年13个气象站的平均气温、最高气温、最低气温、降水量、日照时数和日蒸发量等逐日气象资料。

1.3 研究方法

1.3.1 温度生长期的确定 松嫩平原水稻生产以优质粳稻为主，在移栽插秧为主的水稻生产中，粳稻秧苗移栽后返青的下限温度可达10℃，而粳稻灌浆顺利完成的下限温度也可达10℃[7]。因此，本文将日均气温稳定通过10℃界限温度的持续日数定义为水稻的温度生长期（潜在生长季）。

1.3.2 数据分析 本文采用5日滑动平均法计算稳定通过界限温度的起止日期[8]。在此基础上计算水稻温度生长期内的平均温度、日较差、活动积温、日照时数和降水量等农业气候资源评价指标。东北地区是我国气候变暖最显著的地区之一，温度升高主要发生在20世纪80年代中后期[9-11]。为了更好地反映松嫩平原盐碱地区域的农业气候资源时空分布变化，本研究以1990年为界，重点分析了1961-1990年（第Ⅰ阶段）和1991-2019年（第Ⅱ阶段）2个时间段的平均状况及气候倾向率的变化特征。

1.3.3 气候倾向率 采用最小二乘法分析气候要素变化趋势，计算气候要素（x）与时间（t）的线性回归系数a，气候要素变化采用一次线性方程x=at+b（t=1，2，3，…，n）表示，以回归系数的10倍作为气候倾向率[12]。

2 结果与分析

2.1 松嫩平原盐碱地区域的热量资源变化特征

2.1.1 年均气温、最冷月和最热月平均气温的变化

松嫩平原盐碱地区域的年均气温呈现出由南至北的带状递减分布，而且2个时间段表现出温度升高趋势。第Ⅰ阶段本区域的年均气温为2.3℃～5.3℃（均值为4.1℃）；第Ⅱ阶段的年均气温升高到3.6℃～6.6℃（均值为5.2℃），第Ⅱ阶段的年均气温比第Ⅰ阶段提升了1.1℃（表1）。5℃等值线向北推移了约2.2°。本区域近60年的年均气温气候倾向率分布在0.23℃/10a～0.41℃/10a，升温最明显的区域分别是黑龙江富裕县和吉林乾安县。受全球气候变暖影响，松嫩平原盐碱地区域最冷月（1月）平均气温明显升高，从第Ⅰ阶段的-21.3℃～-16.1℃（均值-18.4℃）升高到第Ⅱ阶段的-19.3℃～-15.1℃（均值-17.0℃）（表1），第Ⅱ阶段比第Ⅰ阶段平均温度升高了1.4℃，-17℃等值线北移了约1.5°。本区域近60年的最冷月平均温度气候倾向率分布在0.08℃/10a～0.55℃/10a，黑龙江省大部分区域升温最明显，升温最高的区域是富裕县。与此类似，松嫩平原盐碱地区最热月（7月）平均气温也表现出升高趋势。第Ⅰ阶段本区域的平均气温为22.0℃～23.7℃（均值为23.0℃）；第Ⅱ阶段的平均气温为22.8℃～24.5℃（均值为23.7℃），第Ⅱ阶段的平均气温比第Ⅰ阶段提升了0.7℃（表1）。21℃等值线从吉林通榆县北移到了黑龙江龙江县，北移了约2.5°。升温区域集中在吉林扶余、乾安一带以及黑龙江富裕县。

表1 松嫩平原盐碱地区年均气温、最冷月平均气温和最热月平均气温的变化Table 1 Change of annual mean temperature,mean temperature in the coldest month and mean temperature in the hottest month in saline-alkaline area of Songnen Plain

2.1.2 生长季内活动积温和日较差的变化 ≥10℃

活动积温是衡量一个地区农业气候资源的重要参数，也是农业气候区划的关键指标之一。本区域水稻生长季≥10℃活动积温的分布与变化规律与年均温变化规律相似，也表现出南高北低的纬向带状分布。第Ⅰ阶段本区域的活动积温为2585.7℃·d～3025.7℃·d（均值为 2843.5℃·d）；第Ⅱ阶段本区域的活动积温升高到 2849.2℃·d～3256.8℃·d（均值为3092.2℃·d），第Ⅱ阶段活动积温比第Ⅰ阶段平均提升了248.7℃·d（表2）。本区域近60年的年均温气候倾向率分布在 60.98℃·d/10a～78.78℃·d/10a，≥10℃活动积温3000℃·d等值线从吉林通榆县北移到了黑龙江龙江县和林甸县一带，北移了约2.6°。升温区域集中在吉林的扶余和乾安一带以及黑龙江富裕县。

表2 松嫩平原盐碱地区生长季内≥10℃的活动积温和日较差变化Table 2 Change of≥10℃accumulated temperature and day and night temperature difference in saline-alkaline area of Songnen Plain

昼夜温差是影响水稻产量和品质的重要气象指标，尤其是对稻米品质影响更大。受全球气候变暖的影响，本区域昼夜温差呈明显减少趋势。第Ⅰ阶段本区域的昼夜温差为11.1℃～12.6℃（均值为11.7℃）；第Ⅱ阶段昼夜温差降低到10.5℃～12.2℃（均值为11.1℃），第Ⅱ阶段昼夜温差比第Ⅰ阶段降低了0.6℃（表2）。昼夜温差11℃等值线从吉林前郭县扩大到了整个区域的中部。

2.2 松嫩平原盐碱地区域的日照资源和降水资源变化特征

2.2.1 年日照时数和生长季内日照时数的变化 研究区域年日照时数总体呈由西向东递减的分布特征。第Ⅰ阶段本区域的年日照时数为2727.3～3002.9h（均值为2856.0h），第Ⅱ阶段的年日照时数降低到2345.6～2890.1h（均值为2672.0h），第Ⅱ阶段的年日照时数比第Ⅰ阶段的降低了184.0h（表3）。年日照时数的高值区域集中在黑龙江泰来县至吉林白城市一带，年日照时数减少明显的区域集中在研究区域的东南部，黑龙江肇州县和龙江县年日照时数减少较轻。与年日照时数不同，水稻生长季内日照时数减少较弱。第Ⅰ阶段本区域的生长季内日照时数为 1164.6～1376.2h（均值为1288.5h）；第Ⅱ阶段的生长季内日照时数为1118.7～1377.4h（均值为1271.1h）；第Ⅱ阶段的生长季内日照时数仅比第Ⅰ阶段降低了17.4h（表3）。生长季内日照时数的高值区域集中在松花江南部的吉林省部分地区，生长季内日照时数减少明显的区域集中在研究区域的西南部和东北部，黑龙江肇州县和龙江县的生长季内日照时数略有增加。

表3 松嫩平原盐碱地区年日照时数和生长季内日照时数的变化Table 3 Change of annual sunshine hours and sunshine hours in growth season in saline-alkaline area of Songnen Plain h

2.2.2 年降水量和生长季内降水量的变化 降水是影响农业生产的关键因素之一。第Ⅰ阶段本区域的年降水量为385.2～509.3mm，第Ⅱ阶段的年降水量为357.4～521.2mm（表4）。第Ⅱ阶段的降水量呈现少量增加的趋势。本区域近60年的年降水量气候倾向率分布在-10～20mm/10a。以松花江为界，吉林省部分地区的降水量减少，黑龙江省部分地区的降水量略有增加。水稻生长季内降水量整体上呈增加趋势，降水量增加的区域集中在黑龙江部分地区。第Ⅰ阶段本区域的降水量为332.9～428.7mm，第Ⅱ阶段的降水量为 315.9～432.9mm（表4）。本区域近60年的生长季内降水量气候倾向率分布在-8.8～15mm/10a。以松花江为界，吉林省部分地区的降水量减少，黑龙江省部分地区的降水量增加。

表4 松嫩平原盐碱地区年降水量和生长季内降水量的变化Table 4 Change of annual precipitation and precipitation in growth season in saline-alkaline area of Songnen Plain mm

3 讨论

在全球气候变暖，尤其是冬季和夜间升温的背景下，1961-2019年松嫩平原盐碱地区活动积温和年均气温等热量资源增加，日照时数减少，降水量略微增加。水稻生产系统是响应气候变化最敏感的农业生态系统之一[13]，该区域农业气候资源的整体变化特征表现为暖湿趋势，这必然会对该区域的盐碱地水稻生产产生一定影响。松嫩平原位于东北平原中北部，由于纬度较高，热量资源始终是限制这一地区水稻发展的关键因素。热量资源的增加对纬度相对较高的松嫩平原北部益处明显，不仅可以延长水稻生长期，还可以保障水稻灌浆期间的热量条件，使得该区域可以种植更加晚熟的优质水稻品种。与1961-1990年相比，1991-2019年的≥10℃活动积温超过3000℃·d的区域从吉林通榆县周边北移到了黑龙江龙江县、林甸县一带，北移了约2.6°；超过3000℃·d的区域面积从原来的不到10%增加到了80%以上。

气候变暖为该区域耐盐碱水稻的开发提供了热量资源保障，主要表现为生育期的延长和产量的增加。根据中国水稻信息网的审定品种数据（https://www.ricedata.cn/variety），1990年以来，松嫩平原盐碱地区可种植的审定水稻品种的生育期平均延长了7～9d，这一趋势与侯雯嘉等[14]的报道一致。随着热量资源的增加，这一区域改良种稻的主要限制因素由热量资源转变为盐碱土。此外，热量资源的变化还引起了水稻病害发生变化，比如过去主要发生在南方稻区和辽宁稻区的稻曲病，在松嫩平原的发生频率和发生面积都不断攀升[15-16]。

松嫩平原盐碱地区域属于典型的内陆盐碱地，盐碱的变化基本上可以分为春季爆发积盐期（4-6月）、夏季淋溶脱盐期（7-9月）、秋季短暂积盐期（10-11月）和冬季隐蔽积盐期（12-次年3月）[17]。可以看出，夏季降水对本区域的盐碱变化有重要影响，1961-2019年生长季降水量基本都集中在夏季，主要表现为以松花江为界，黑龙江部分地区降水增加，吉林部分地区降水减少。这种降水特点将导致黑龙江部分地区的盐碱化发展趋势低于吉林部分地区，这与张树文等[18]的盐碱重心从大庆转移至大安的报道一致。

除了气候变暖以外，生长季内的日照时数和降水量等关键气候指标也有变化，主要表现为生长季内日照时数略有减少、降水量略有增加，整体上有利于水稻生长。昼夜温差缩小是该区域未来将要面对的主要气候不利因素，昼夜温差减少将导致水稻干物质积累速率降低，灌浆速率减缓。松嫩平原盐碱地区域气候变暖不仅使水稻生产所需的活动积温增加，还可能引起风速、相对湿度和水汽压等其他与农业生产有关的气象因素的变化，气温升高可能造成局部地区干旱，很有可能加剧这一区域的盐碱化程度。气候变暖也可能引发极端性天气，如强降雨和台风的北上登陆，2020年8月下旬至9月上旬，东北地区连续遭受第8号台风“巴威”、第9号台风“美莎克”和第10号台风“海神”的连续登陆，为有气象记录以来首次强风雨天气及灾害叠加效应给松嫩平原地区造成严重的影响，导致水稻大幅度减产[19-20]。因此，松嫩平原水稻生产在应对气候变化的策略上，要努力做到趋利避害。品种选育上应选择多抗和适当晚熟品种，以利于充分利用热量资源，抵御不利的气象条件。同时，通过调整农业生产管理措施来提高水稻生产系统的适应能力，实现水稻单产的持续稳定增长。

4 结论

1961-2019年，松嫩平原盐碱地区域的农业气候资源整体表现为暖湿趋势。与第Ⅰ阶段相比，第Ⅱ阶段热量资源显著增加，年均气温升高了1.1℃，5℃等值线向北推移了约2.2°。最冷月和最热月的平均气温分别增加了1.4℃和0.7℃。水稻生长季内≥10℃的活动积温增加了248.7℃·d，活动积温3000℃·d等值线北移了约2.6°，昼夜温差降低了0.6℃。年日照时数和生长季内日照时数分别降低了184.0和17.4h。以松花江为界，吉林省部分地区的降水量减少，黑龙江省部分地区的降水量略增加。